УДК 681.327.2
МОДУЛЬ ПАМЯТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
А. Ю. Булгаков
Исследуется структура цифровой памяти бол ьшого объема для системы статистической обработки случайных сигналов. Предлагаются механизмы реализа ции адаптивных алгоритмов исследований и модульного наращивания общего объема накопления.
Одна из основных задач статистической обработки случайных широкополосных сигналов заключается в выделении из шума полезного сигнала или обнаружении корреляционных зависимостей. Ее решение зависит как от производительности соответствующей вычислительной системы, так и от выбора наиболее эффективного алгоритма статистической обработки. Можно выделить два подхода к решению этой задачи.
Первый основывается на том, что заранее известен наиболее эффективный алгоритм статистической обработки для данного источника сигнала. Для обеспечения высокой производительности алгоритм частично или полностью реализуется аппаратно по мере поступления данных в некотором спецпроцессоре реального времени. В этом случае в спецпроцессоре могут накапливать -ся некоторые промежуточные данные, являющиеся исходными для последующей обработки программными средствами. Например, для изучения аддитивного воздействия детерминированного сигнала в спе ц-процессоре, описанном в работе [1], накапливаются условные суммы и подсчитывается число поступлений для каждого условия — эти данные впоследствии используются для вычисления среднеарифметических значений. Когда алгоритм обработки заранее неизвестен, предлагается другой подход, заключающийся в предварительном накоплении как можно большего объема исходных данных. В этом случае, используя гибкость и разнообразие программного обеспечения, в поисках оптимального может быть применено несколько алгоритмов обработки накопленной информации, соответствующих тем или иным предположениям относительно природы исследуемого сигнала.
Этот подход естественным образом дополняется предыдущим: после нахождения оптимального алгоритма обработки для дальнейшего повышения эффективности системы, он может быть реализован аппаратно.
Для реализации возможности накопления большого объема ин-
формации был разработан модуль памяти (МП) емкостью 2 Гбита и скоростью записи до 148 Мбит/с. Он интегрируется в состав измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) для обеспечения выделения из шума полезного сигнала и поиска корреляций (рис. 1) [2]. На ИВК от источника исследуемого сигнала дополнительно поступают тактовый строб, относительно которого ожидается когерентность сигнала, и код условия (КУ), характеризующий состояние источника сигнала на каждом такте и корреляция с которым исследуется. Модуль памяти позволяет записывать 12-разрядные КУ вместе с данными в общем массиве.
Коды условий мультиплексируются с восьмиразрядными данными, поступающими от измерительной части, на общей 12-разрядной шине и выставляются на ней на короткий промежуток времени в начале каждого такта. Тактовый строб фиксирует их в МП, а в формирователе временной базы ИВК инициирует генерацию определенного числа стробов данных. Стробы данных обеспечивают в измерительной части запуски АЦП, а в МП — стро-бирование соответствующих результатов измерений. Число измерений
(стробов данных) на такте задается перед накоплением при конфигурировании ИВК.
Модуль памяти позволяет реализовать в ИВК адаптивный подход к накоплению, а именно, исключить из накопления данные неинформативных состояний источника сигнала. Для этого служит сигнал "ПРОПУСТИТЬ", являющийся некоторой, определяемой ИВК, функцией исследуемого сигнала. При этом, для возможности анализа общей стробовой картины и контроля работы МП внешним счетчиком тактов, в нем реализован механизм, позволяющий вычислять по накопленным данным общее число тактов. Он заключается в периодической записи в общий массив числа подряд пропущенных тактов.
Общий объем непрерывно накапливаемых данных может быть увеличен включением в ИВК дополнительных МП. Эта возможность обеспечивается встроенным механизмом межмодульной синхронизации. Модуль памяти выполнен в инструментальном стандарте 9Х1/С и может применяться как стандартное устройство памяти.
От параметров МП зависят эксплуатационные и метрологические
Рис. 1. Схема включения модуля памяти в ИВК
Датчики и Системы • № 12.2001
33
Рис. 2. Схема модуля памяти
Рис. 3. Схема формирователя единого потока
характеристики ИВК в целом. Например, если осуществляется выделение сигнала из шума, то динамический диапазон ИВК связан с числом 1 зафиксированный отсчетов соотношением ' = 10 1&1 [3]. Объему памяти 256 Мбайт соответствует ' = -84 дБ.
Полоса исследуемыгх сигналов ИВК зависит от скорости записи в МП в явном виде только в случае равномерных по времени измерений сигнала восьмиразрядным АЦП без регистрации кодов условий - в так называемом режиме "цифрового осциллографа", при этом она составляет 9,2 МГц. Полоса исследуемого сигнала может быть значительно расширена, если увеличить частоту выборок на локальном участке так-
та, при этом выборки на всем такте уже не будут равномерными. В этом случае скорость записи в МП не является ограничивающим фактором, так как период самого такта может быть достаточно большим. В данном ИВК полоса сигнала составляет 500 МГц, а временное позиционирование осуществляется с шагом 100 пс [4].
Конкретное расположение в такте места выборок может быть ассоциировано с состояниями источника сигнала. В этом случае 12-разрядный КУ может обозначать до 4096 участков такта. Модуль памяти позволяет осуществлять и другие схемы экспериментов в поиске оптимального алгоритма обработки сигналов. Например, наряду с упомя-
нутым режимом "цифрового осциллографа", возможен режим "стробоскопа", когда в МП записываются равные объемы данных, отличающиеся сдвигом моментов измерения. Этот режим позволяет дополнительно увеличить эффективный динамический диапазон исследуемого периодического сигнала.
Рассмотрим компоненты МП, схема которого представлена на рис. 2.
Формирователь единого потока (ФЕП) упаковывает данные, КУ и значение счетчика пропущенных тактов в единый 18-разрядный формат — на выход поступают либо два байта данных, либо 12 бит кода условий с четырьмя разрядами счетчика пропущенных тактов. К этим 16 битам добавляются бит вида формата для различения этих двух вариантов и бит контроля четности.
Схема ФЕП представлена на рис. 3. Контроллер ФЕП по очереди фиксирует поступающие байты данных в регистрах RG1 и RG2 для формирования 16-разрядного слова. Кроме этого он формирует бит вида формата и управляет мультиплексором. Формирователь единого потока представляет собой конечный автомат [5] и предустанавливается всякий раз по приходу тактового строба.
Имеющийся в составе ФЕП четырехразрядный счетчик служит для подсчета числа пропущенных тактов: счет разрешается активным состоянием сигнала ПРОПУСТИТЬ. Содержимое счетчика выдается вместе с кодом условия, а сам он принимает нулевое значение, когда сигнал ПРОПУСТИТЬ становится неактивным. Если пропущенными оказываются более 15 тактов, ФЕП выдает для записи специальный формат данных, а счет возобновляется с нуля.
Теперь рассмотрим блок динамической памяти (БДП) и контроллер динамической памяти (КДП) (см. рис. 2). Первое из этих устройств состоит из 16 микросборок SIMM (Single In line Memory Module) по 16 Мбайт, каждая из которых имеет байтовую организацию с дополнительным битом четности. Такие микросборки динамической памяти широко используются в качестве ОЗУ персональных компьютеров и производятся рядом фирм. Для обеспечения 18-разрядного формата микросборки объединены парами. Двадцать четыре разряда адреса поступают на БДП от счетчика адреса. Старшие и младшие 12 разрядов последовательно мультиплексируются адресными буферами БДП на общую 12-разрядную шину адреса микросборок. Они фиксируются типичными для микросхем динами-
34
Sensors & Systems • № 12.2001
ческой памяти сигналами RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки) и CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Для выбора отдельного слова или байта ^ВДП использует отдельную линию CAS для каждой микросборки — таким способом дешифруются остальные (младшие) четыре разряда общего 28-разрядного адреса. Дополнительно используя четыре линии RAS, объединяющие по четыре микросборки, ^ВДП обеспечивает конвейеризацию записи данных при накоплении. ^нвейер в четыре раза ускоряет запись каждого слова данных по сравнению с длительностью цикла для отдельной микросборки и реализуется сдвигом четырех сигналов RAS по фазе относительно друг друга. B резул ьтате на запись одного слова тратится один период базовой частоты 10 МГц.
^нтроллер динамической памяти представляет собой конечный автомат, стробируемый с частотой 10 МГц. На ВДП могут поступать три независимых запроса на обслуживание: запрос от согласователя потоков данных (СПД) на конвейерную запись подготовленной порции информации, запрос от интерфейса VXI на запись/чтение данных в циклах шины VXI и запрос от таймера регенерации. Для каждого запроса ^ВДП инициирует свой цикл обслуживания, заключающийся в формировании соответствующей временной диаграммы сигналов RAS, CAS и др. По приходу какого-либо запроса ^ВДП сначала завершает текущий цикл обслуживания, затем выставляет соответствующий сигнал подтверждения и начинает требуемый цикл обслуживания.
На входе СПД данные синхронизованы с тактовым стробом, а выдача производится порциями (для конвейерной записи в БДП) с частотой 10 МГц. Более подробно устройство и работа СПД описаны в статье [б].
Для обеспечения непрерывности накопления данных при использовании в ИBK нескольких МП предусмотрен автомат синхронизации (АС). Он позволяет также синхронизовать старт/стоп накопления с какими-либо внешними устройствами, например, с контрольным счетчиком тактовых импульсов. Для реализации требуемых функций на АС поступают сигналы от СПД, ^ВДП и счетчика адреса. При запуске накопления под управлением АС у всех МП синхронно начинают работать восьмиразрядные счетчики в блоках СПД, но только первый МП фактически копит данные. У оста
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.